華中理工大學(xué)博士學(xué)位論文 摘要 ( 熱聲熱機(jī)是一種完全新型的熱機(jī)，它工作于熱聲效應(yīng)機(jī)理。和傳統(tǒng)的熱機(jī)相 它具有無污染、無運(yùn)動部件等優(yōu)點(diǎn)，而且其結(jié)構(gòu)非常簡單，可靠性高，壽命 正是由于熱聲熱機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外形成一個研究熱聲熱機(jī)的熱點(diǎn)。目 熱聲熱機(jī)的研究已進(jìn)入實用化階段。廣7 8 本文白合承擔(dān)國家自然科學(xué)基金資助項目。，在前人工作的基礎(chǔ)上y 霪角網(wǎng)絡(luò) 的方法對熱聲效應(yīng)機(jī)理進(jìn)行分析。并對熱聲熱機(jī)和熱聲發(fā)動機(jī)進(jìn)行了實驗研究， 研制出工程實用化的熱聲系統(tǒng)模擬和設(shè)計軟件。 紛析流道內(nèi)振蕩流動的基本特點(diǎn)，對橫向速度分布和橫向?qū)岱植歼M(jìn)行了詳 細(xì)討論。在此基礎(chǔ)上對典型熱聲部件的微熱力循環(huán)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，根據(jù)它們 在熱聲系統(tǒng)中的不同作用指出它們對應(yīng)的微熱力循環(huán)的區(qū)域。從熱聲效應(yīng)的基本 方程出發(fā)，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)的方法直觀地分析了熱聲效應(yīng)的本質(zhì)。 從流體力學(xué)的基本方程出發(fā)，得到網(wǎng)絡(luò)基本傳輸方程與熱聲基本方程完全一 致的有源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上根據(jù)熱聲系統(tǒng)部件的特點(diǎn)建立各部件的傳輸矩陣。 根據(jù)各部件的連接方式建立系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型。 作者運(yùn)用m a t l a b 語言編制了熱聲系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)仿真的程序，模擬結(jié)果表明該 程序在小振幅條件下能夠較準(zhǔn)確對熱聲系統(tǒng)進(jìn)行模擬，可以有效指導(dǎo)熱聲系統(tǒng)的 設(shè)計和優(yōu)化。該程序不僅適用于各種復(fù)雜邊界條件的熱聲系統(tǒng)，而且使用非常簡 單。 作者在前人工作的基礎(chǔ)上，對熱聲發(fā)動機(jī)進(jìn)行了重新設(shè)計和改進(jìn)，建成了一 臺半波長的駐波熱聲熱機(jī)，并對熱聲熱機(jī)的基本特性進(jìn)進(jìn)行了研究。 為了驗證有源網(wǎng)絡(luò)模型的準(zhǔn)確性，建立了四傳感器h 矩陣參數(shù)的測量方法， 并在熱聲發(fā)動機(jī)帶熱聲制冷機(jī)的基礎(chǔ)上，測量制冷機(jī)回?zé)崞鞯膆 矩陣參數(shù)。實驗 結(jié)果證明這種測量方法是可靠的，并且在小振幅條件下h 矩陣參數(shù)的理論值與實 驗值能較好地吻合。 由于熱聲現(xiàn)象是典型的非線性現(xiàn)象，而有源網(wǎng)絡(luò)模型是建立在線性理論的基 礎(chǔ)上，在大振幅條件下，模擬結(jié)果必然與實際過程產(chǎn)生偏差。為了使有源網(wǎng)絡(luò)模 型也能適用于大振幅的條件，必須在辨識的基礎(chǔ)上對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行修正。本文提 。能源學(xué)部1 9 9 9 ，5 9 7 0 6 0 0 3 比k 就 華中理工大學(xué)博士學(xué)位論文 供了網(wǎng)絡(luò)參數(shù)量化的方法和實驗手段，并對制冷機(jī)回?zé)崞鞯脑磪?shù)進(jìn)行了初步辨 識。 在熱聲發(fā)動機(jī)研究的基礎(chǔ)上，將熱聲發(fā)動機(jī)與熱聲制冷機(jī)結(jié)合起來，實現(xiàn)無 、 運(yùn)動部件熱聲制冷。并對熱聲制冷進(jìn)行了初步的實驗研究。，+ 一) 關(guān)鍵詞：熱聲熱機(jī)熱聲效應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型發(fā)動機(jī) 制冷機(jī)振蕩流動駐波行波 l i 華中理工大學(xué)博士學(xué)位論文 a b s t r a c t t h e r m o a c o u s t i c e n g i n e i san e w t y p e o fe n g i n e ，w h i c hi s b a s e do nt h e t h e r m o a c o u s t i ce f f e c t d u et oi t sn o p o l l u t i o n ，n om o v i n gp a r t ，s i m p l es t r u c t u r ea n dh i ：g h r e l i a b i l i t y , t h e r m o a c o u s t i ce n g i n ei sb e c o m i n gan e wr e s e a r c hh o t p o i n tn o wi ti s g r a d u a l l yc o m e i n t op r a c t i c eu s e t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fo s c i l l a t i o nf l o wa r ea n a l y z e d o nb a s i so ft h i s t h e m e s o s c a l et h e r m o d y n a m i cc y c l e so ft h et h e r m o a c o u s t i ce l e m e n t sa r ed i s c u s s e d t h e t h e r m o a c o u s t i ce f f e c ti si n t u i t i v e l ya n a l y z e di nt h ev i e wo ft h en e t w o r km e t h o df r o mt h e b a s i ce q u a t i o n so f t h e r m o a c o u s t i c s n 坨n e t w o r k m o d e l i n g i sa n e n g i n e e r i n g m e t h o d b a s i n g o ni r r e v e r s i b l e t h e r m o d y n a m i c s i t i su s a b l ei n d e s i g ns t a g e e s p e c i a l l yt r i m m i n gs t a g e f o r t h e r m o a c o u s t i cs y s t e m at s h a p ea c t i v en e t w o r ks t r u c t u r ei s d e v e l o p e df o rt h e f l o w c h a n n e lw i t l li m p o s e d t e m p e r a t u r eg r a d i e n t t h et r a n s p o r tm a t r i x e so f t h et h e r m o a c o u s t i c e l e m e n t sa r eb u i l tf r o mi t t h e nt h en e t w o r km o d e lo f t h ew h o l e s y s t e m i se s t a b l i s h e d h e r eas o f t w a r e ( n a m e da n m t d ) b yn e t w o r km e t h o di s d e v e l o p e df o rm o d e l i n g t h et h e r m o a c o u s t i cd e v i c e s t h i ss o f t w a r ei sw r i t t e ni n r l a b l a n g u a g e i t i s c o n v e n i e n tt ou s et h i ss o f t w a r et od e s i g nn e wt h e r m o a c o u s t i cd e v i c e so rt o o p t i m i z e t h e m o nt h eb a s i so ft h ef o r m e rw o r k ，a h a l f - w a v e l e n g t hp r i m em o v e r h a sb e e nd e s i g n e d a n dt r i m m e dt or e g u l a ro p e r a t i o n a lm o d e t h eb a s i cp e r f o r m a n c eo f t h i sd e v i c eh a sb e e n t e s t e d i no r d e rt ot e s tt h ea c c u r a c yo f t h ea c t i v en e t w o r km o d e lf o rt h e r m o a c o u s t i cd e v i c e s ， f o u r - t r a n s d u c e rm e t h o df o rm e a s u r i n gt h eh m a t r i xp a r a m e t e r si s d e v e l o p e d t h eh - m a t r i xp a r a m e t e r so ft h er e g e n e r a t o ro far e f r i g e r a t o ra r em e a s u r e d t l l i sr e f r i g e r a t o ri s d r i v e nb yt h ep r i m em o v e rm e n t i o n e da b o v e i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l ta g r e e st h ec o m p u t a t i o nw e l lu n d e r l o w - a m p l i t u d eo p e r m i o nc o n d i t i o n a tv e r yh i g ha m p l i t u d e ，t h ea c t u a lb e h a v i o rd e v i a t e ss i g n i f i c a n t l yf r o mt h ea c o u s t i c a p p r o x i m a t i o n ，s ot h en e t w o r kp a r a m e t e rs h o u l d b ea n a l y z e db a s e do nt h e e x p e r i m e n ta t h i g ha m p l i t u d e h e r ew ep r o v i d e dam e t h o df o rp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o na n dt e s t e di to n i i i 華中理工大學(xué)博士學(xué)位論文 t h er e g e n e r a t o ro f t h e r e f r i g e r a t o r at h e r m o a c o u s t i cr e f r i g e r a t o rd r i v e nb yt h et h e r m o a c o u s t i ep r i m em o v e rh a sb e e n t e s t e d t h i s r e f r i g e r a t o rh a s n om o v i n g p a r t s k e y w o r d s ：t h e r m o a c o u s t i ce n g i n e ，n e t w o r km o d e l ，p r i m em o v e r ，r e f r i g e r a t o r , o s c i l l a t i o nf l o w ，s t a n d i n g w a v e ，t r a v e l l i n gw a v e i v 華中理工大學(xué)博士學(xué)位論文 第一章緒論 1 - 1 工程和學(xué)科背景 熱機(jī)理論其實是熱力學(xué)在能量轉(zhuǎn)換方面的應(yīng)用技術(shù)，即如何在嚴(yán)格的熱力學(xué) 定律和無孔不入的不可逆過程之間找到調(diào)和折衷的方案。許多精巧的熱能動力機(jī) 械正是這種折衷的杰作。 在給定熱源溫度和冷源溫度的各種發(fā)動機(jī)中，卡諾循環(huán)的效率最高，但是真 實的高轉(zhuǎn)速往復(fù)熱機(jī)是無法接近卡諾循環(huán)的，最根本的原因是從熱源吸熱和向冷 源排熱的等溫?fù)Q熱器很難實現(xiàn)，嚴(yán)格按照減小不可逆因素的原則做出來的卡諾循 環(huán)熱機(jī)都是轉(zhuǎn)速很低而且輸出功率很小，因為只有這樣熱源和冷源換熱器的不可 逆損失才比較小。 利用工質(zhì)的汽一液相變實現(xiàn)等溫下的換熱器是解決上述因難的一種重要方 法，這就是朗肯循環(huán)。它的突出優(yōu)點(diǎn)是充分利用了相變潛熱，使工質(zhì)的單位摩爾 的比功率達(dá)到很高的水平，因而大大有利于提高熱機(jī)的體積比功率。所以不論在 大型熱電站或小型的家用制冷系統(tǒng)中，朗肯循環(huán)都在競爭中獲勝。 但是朗肯循環(huán)畢竟仍然使用換熱器，它在尺寸上仍然不能滿足運(yùn)輸機(jī)械的要 求。 1 8 9 3 年，笛賽爾提出將煤粉塵噴入燃燒以維持等溫膨脹，并噴水以構(gòu)成等溫 壓縮從而實現(xiàn)卡諾循環(huán)的設(shè)想。其工程結(jié)果是出現(xiàn)了一系列內(nèi)燃機(jī)循環(huán)。從熱力 學(xué)的角度看，內(nèi)燃機(jī)靠控制氣缸內(nèi)的燃燒過程來調(diào)節(jié)燃料燃燒( 熱力學(xué)過程) 和 活塞運(yùn)動位置( 動力學(xué)過程) 的相對關(guān)系( 相位角) 。用這種方法來取消熱源換熱 器。其效率有了較大的提高，最高效率已達(dá)到4 0 。內(nèi)燃機(jī)在解決加入熱量問題 方面取得了很大的成功，但是在解決排熱問題方面卻并不成功。首先，工質(zhì)排出 熱機(jī)時并未回到循環(huán)的初始狀態(tài)，帶來了相當(dāng)大的不可逆損失：其次，排出氣體 中有大量污染成分，在環(huán)境問題日趨嚴(yán)重的今天，這成了決定內(nèi)燃機(jī)循環(huán)前途的 關(guān)鍵問題。 比卡諾循環(huán)提出還早1 8 年的斯特林循環(huán)卻既不利用工質(zhì)相變也不利用直接加 熱的方法來解決不可逆換熱問題。它的最大的不同之處在于它同時使用了兩種工 華中理工大學(xué)博士學(xué)位論文 質(zhì)，氣相( 或液相) i 質(zhì)和周相工質(zhì)，其中一種工質(zhì)的熱容遠(yuǎn)大于另一種工質(zhì)的 熱容，因而可以視為等溫。固體工質(zhì)組成多孔填料型的回?zé)崞魍ǖ辣冢膬啥?分別接熱源和冷源；氣體工質(zhì)則在回?zé)崞髦性趬嚎s活塞和排出器的驅(qū)動下做往復(fù) 運(yùn)動。于是，在理想換熱的條件下，氣體工質(zhì)可以在每一個流動截面上都和固體 工質(zhì)處于局部熱力學(xué)平衡，這就意味著，氣體工質(zhì)在運(yùn)動周期中借助于一系列局 部的等溫過程完成自己的熱力學(xué)循環(huán)。熱量得以在等溫條件下在熱源、冷源和熱 機(jī)系統(tǒng)之間交換，解決高轉(zhuǎn)速下的等溫?fù)Q熱，使斯特林循環(huán)和卡諾循環(huán)具有相當(dāng) 的效率。實際的斯特林熱機(jī)的循環(huán)只是準(zhǔn)斯特林循環(huán)。圖1 1 1 是二者的對比，它 們間的差別是實際熱機(jī)仍然有壓縮和膨脹過程，它們部分地取代了理想的等溫?fù)Q 熱過程。這個替換當(dāng)然使氣體工質(zhì)的不可逆換熱成份加大，偏離了局部等溫的條 件。 但是斯特林熱機(jī)存在一個重要的熱動力學(xué)問題：它需要精確地控制加入熱量 與壓縮周期的相位角及排出熱量與膨脹周期的相位角。如圖1 - 1 1 所示，如果讓膨 t c m 【p e r a 札r e 圖1 1 1理想和實際的斯特林循環(huán) 脹周期發(fā)生在高溫側(cè)，而讓壓縮周期發(fā)生在低溫側(cè)，則這個熱機(jī)可能由制冷機(jī)變 成發(fā)動機(jī)。所以，要求它的換熱過程和動力學(xué)過程之間有合適的相位差，它和內(nèi) 燃機(jī)一樣也依靠這個相位差來達(dá)到能量轉(zhuǎn)換的目的。但兩者的控制方法不同，斯 特林熱機(jī)是靠控制回?zé)崞鬟\(yùn)動的相位角，這是通過機(jī)械機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)的。 在與朗肯循環(huán)和各種內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的競爭中，由于斯特林循環(huán)特殊的控制換熱 相位的方法要求有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和精密的制造工藝，使它失去了充分發(fā)展的機(jī)會。 但是在低溫制冷機(jī)領(lǐng)域中得以發(fā)揮其高效緊湊的長處，出現(xiàn)了一系列具有回?zé)崞?的熱機(jī)，統(tǒng)稱為回?zé)崾綗釞C(jī)。它的結(jié)構(gòu)已日趨簡單，工藝逐漸成熟，但是在理論 2 華中理工大學(xué)博士學(xué)位論文 上卻落后于工程實踐，在一系列方向性問題上無法作出判斷，一些實驗得出的重 要現(xiàn)象無法用統(tǒng)一的理論解釋。 目前，有兩個因素可能促使回?zé)崾綗釞C(jī)得到一個飛躍發(fā)展的機(jī)遇。首先，環(huán) 保問題的嚴(yán)峻現(xiàn)實導(dǎo)致禁用c f c 國際公約的簽訂。自從c f c 被引入制冷領(lǐng)域后不 久，它就在朗肯蒸汽制冷循環(huán)中成為主要的工質(zhì)，并在所有中小型制冷及空調(diào)領(lǐng) 域中占統(tǒng)治地位。這種地位已經(jīng)面臨激烈的挑戰(zhàn)，目前有關(guān)產(chǎn)品向h c f c 的過渡 只不過是權(quán)宣之計。隨著新的制冷方法的發(fā)展，這種局面會徹底改變。另一因素 是在信息技術(shù)成為新技術(shù)革命中心的今天，高溫超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)和低溫電子學(xué)的迅速 發(fā)展，迫切呼喚高效可靠的低溫制冷技術(shù)。 熱聲理論的研究近十年來在熱機(jī)方面有突破性的進(jìn)展，給回?zé)崾綗釞C(jī)的發(fā)展 帶來了新的理論基礎(chǔ)。從而有可能把熱力學(xué)和動力學(xué)結(jié)合起來，不僅在宏觀層次 上，而且也在微觀層次上發(fā)展近代熱機(jī)理論，這是一個有重大意義的工作。熱聲 熱機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)是無污染、可以減少運(yùn)動部件甚至無運(yùn)動部件，因而它符合時 代的要求。 w h e a t l y 將駐波熱聲熱機(jī)稱為天然熱機(jī)，因為它自發(fā)地利用不可逆過程來調(diào)節(jié) 換熱過程與振蕩過程的相位角。而自然界正是充滿了這種可利用的不可逆過程， 所以稱之為天然熱機(jī)。天然熱機(jī)和回?zé)崾綗釞C(jī)一樣，都以兩種或兩種以上的熱力 學(xué)工質(zhì)為自己的首要特性，借助于工質(zhì)間的能量交換，實現(xiàn)熱與功之間的轉(zhuǎn)換。 實際熱機(jī)的設(shè)計并不以減少不可逆損失接近熱力學(xué)的理想極限為目標(biāo)，而是 在價格、效率、尺寸、功率、可靠性、復(fù)雜性和公害等各重要因素中尋找協(xié)調(diào)。 熱機(jī)的應(yīng)用也并不完全取決于它的效率，而是取決于效率、投資費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用 等因素的綜合。如圖1 1 2 所示，斯特林制冷機(jī)從理論上說可以達(dá)到它的卡諾效率， 但是效率越高，對其材料和加工精度的要求也越高。實際上，費(fèi)用的大幅度提高 已經(jīng)使效率的提高得不償失。相反，蒸汽壓縮制冷機(jī)所達(dá)到的最高效率遠(yuǎn)小于斯 特林制冷機(jī)系統(tǒng)，但是在實際應(yīng)用中是最廣泛的制冷系統(tǒng)。這是因為在較為實用 的效率范圍內(nèi)，它的投資費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用要比斯特林低得多。因此對于任何一個 實用的熱機(jī)來說，最重要的是效率與費(fèi)用的比值。熱聲熱機(jī)的效率與費(fèi)用比的曲 線在其它熱機(jī)系統(tǒng)的左面，即在同樣效率的情況下，其費(fèi)用要低，如圖1 1 2 所示。 因而從商業(yè)應(yīng)用的角度來說，它的應(yīng)用前景會更加優(yōu)越，盡管它的最高效率要低 于以前的熱機(jī)系統(tǒng)。 華中理工大學(xué)博士學(xué)位論文 圖1 1 2 熱機(jī)系統(tǒng)的投資和效率比曲線 傳統(tǒng)熱機(jī)由于得到充分發(fā)展而達(dá)到較高的效率，目前汽車發(fā)動機(jī)的熱效率達(dá) 到3 0 ，最大的內(nèi)燃機(jī)的效率可達(dá)4 0 。蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)比通常也 超過5 0 。近年來，各國學(xué)者通過不懈的努力，在改進(jìn)熱聲熱機(jī)結(jié)構(gòu)和提高熱聲 熱機(jī)的效率方面取得了長足的發(fā)展。尤其是美國的洛斯阿拉莫斯實驗室建成的熱 聲斯特林熱機(jī)【l 】，其效率已經(jīng)達(dá)到3 0 ，完全可以與普通內(nèi)燃機(jī)的效率( 0 2 5 0 4 ) 相媲美。這個成就是相當(dāng)令人歡欣鼓舞的。它必將大大加快熱聲熱機(jī)的實用化進(jìn) 程。 熱聲熱機(jī)要取代傳統(tǒng)的熱機(jī)還有許多困難亟待解決，難度也較大，因為它的 競爭對手是已經(jīng)發(fā)展了上百年的傳統(tǒng)熱機(jī)，包括內(nèi)燃機(jī)、朗肯循環(huán)制冷機(jī)和蒸汽 動力設(shè)備。它們無論在效率、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和緊湊性方面都已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)高 的水平了。而熱聲熱機(jī)是完全新型的熱機(jī)，無論從工程設(shè)計上還是從制造經(jīng)驗上 都還遠(yuǎn)沒有達(dá)到完善的地步。但是從理論上講，熱聲熟機(jī)當(dāng)然具有更高的可靠性 和更低的造價，而且它沒有運(yùn)動部件、不需要珍貴的材料以及其結(jié)構(gòu)非常簡單。 因此，與傳統(tǒng)的熱機(jī)相比有巨大的潛在優(yōu)勢，當(dāng)然，實現(xiàn)這些潛在的優(yōu)勢需要付 出巨大的努力。 1 - 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 人們對熱聲現(xiàn)象的認(rèn)識已有2 0 0 多年的歷史了。早在1 7 7 7 年，i - i i g g i n s 在實 驗中發(fā)現(xiàn)：將氫火焰置于兩端開口的垂直管的適當(dāng)位置，管?！本蜁て鹇暡ㄕ駝?， m operatng c o * _ t 華中理工大學(xué)博士學(xué)位論文 從而發(fā)出聲音。 1 8 5 0 年，s o n d h a u s s t 3 t 首先對連接玻璃球的中空玻璃管中發(fā)生的熱聲現(xiàn)象進(jìn)行 了定性的研究，后來人們就將一端封閉、一端開v i 的熱聲振蕩管命名為s o n d h a u s s 管，如圖1 2 1 所示。 1 8 5 9 年r i j k e 4 l 在將加熱的絲網(wǎng)放到一根兩端開1 ：3 的垂直空管的下半部分時觀 察到強(qiáng)烈的聲振蕩，如圖1 - 2 2 所示，并對這種r i j k e 振蕩現(xiàn)象進(jìn)行了分析。1 8 7 7 年b o s s c h a 發(fā)現(xiàn)了一種所謂“逆”硒i k e 振蕩，即把冷卻的絲網(wǎng)放到上述空管的上 半部分時，同樣會發(fā)生聲振蕩；相反，將冷的絲網(wǎng)置于下半部分，振蕩卻發(fā)生衰 減。 聲輸出 加熱 聲輸出 加熱絲網(wǎng) 圖1 - 2 。1s o n d h a u s s 管 圖1 - 2 - 2 r i j k e 管 熱聲理論的研究源于1 8 6 8 年，k i r c h h o f r 計算了聲在管中由固體管溫管壁和維 持聲波的氣體之間的振蕩的熱傳導(dǎo)引起的衰減量p 】。1 8 7 8 年，r a y l e i g h 首先對熱聲 現(xiàn)象給出了定性的解釋i s ! ：對于作聲振動的介質(zhì)，若在其最稠密的時候向其供熱， 而在其稀疏時從中吸熱，聲振動就會得到加強(qiáng)；反之，若在其最稠密的時何候從 其中吸熱，而在其稀疏時向其供熱，聲振動就會衰減。這就是所謂的r a y l e i 曲準(zhǔn) 則。到目前為止，r a y l e i g h 準(zhǔn)則一直被認(rèn)為是理解熱聲振蕩的一個合理的解釋。1 9 4 9 年，t a c o n i s l l ”在研究液氮的時候，發(fā)現(xiàn)了著名的t a c o n i s 振蕩，即一根一端封閉的 空管子接觸到液氨的液面時，管中就會發(fā)生振蕩。這一發(fā)現(xiàn)對于正確認(rèn)識和防止 低溫系統(tǒng)中的振蕩問題具有重要的意義。 1 9 6 9 1 9 8 0 年，z u r i c h 聯(lián)邦技術(shù)研究所的n i l o l a u sr o t t 首先對熱聲效應(yīng)進(jìn)行 了定量的理論分析【”。他為了解決t a c o n i s 振蕩的穩(wěn)定性問題，建立了理想氣體 的駐波聲場，在理論上描述了熱聲效應(yīng)中存在著熱和功的相互轉(zhuǎn)化，其導(dǎo)出的理 5 華中理工大學(xué)博士學(xué)位論文 論框架為分析熱聲熱機(jī)提供了堅實的理論基礎(chǔ)。他的理論得到了y a z a k i 【8 0 】i l ”等人 的實驗驗證。隨后，m e r k l i 和t h o m a n n ”t 討論了另一種類型的熱聲效應(yīng)，即等溫 壁面的諧振管中，駐波聲場與外熱源間存在的時均橫向吸熱與放熱效應(yīng)。實驗發(fā) 現(xiàn)：如果理想氣體的普朗特數(shù)小于1 ，在壓力波節(jié)點(diǎn)附近，流體從管壁時均地橫向 吸熱，在速度波節(jié)點(diǎn)處，流體向管壁時均地放熱。如果普朗特數(shù)大于1 ，則不存在 橫向的吸熱效應(yīng)。 日本學(xué)者t o m i n a g a 以熱力學(xué)方法分析熱聲現(xiàn)象【1 3 】【16 】l ”】，目的就是要得到回?zé)?器中各種不可逆因素對泵熱量的影響，并通過減少不可逆損失以提高回?zé)崞鞯男?率。他認(rèn)為回?zé)崞髦械臒崃髁渴怯扇N熱流組成： q = qs d 七qp + q d q ，。d = 一只x ”p t 。1 p o u o ，。d q p r o g - = - - f s 掣用1 p o u o ( 1 - 2 】) ( 1 2 2 ) ( 1 2 3 ) 其中，。表示流速振蕩中駐波分量； 。表示流速振蕩中行波分量； f t 為固相工質(zhì)與流體的熵交換程度，是等溫可逆過程的無因次表示。 q k 是等溫可逆過程的結(jié)果，q 。是不可逆過程的結(jié)果，q 。是往復(fù)損失。 在此基礎(chǔ)上，對行波和駐波熱機(jī)作以下總結(jié)： ( 1 ) 描述回?zé)崞鳠崧曅?yīng)的重要參數(shù)是壓力振蕩和速度振蕩之間的相位差： ( 2 ) f 3 是表征回?zé)崞髦辛黧w振蕩的熱力學(xué)過程的參數(shù)； ( 3 ) 對駐波，不可逆過程起很大的作用，其f 3 ”應(yīng)盡可能大； ( 4 ) 對行波，可逆過程起關(guān)鍵的作用，其以7 應(yīng)盡可能大； 他的研究表明：熱聲過程造成兩種類型的時均熱流，流體可壓縮性貢獻(xiàn)熱流 和流體容性貢獻(xiàn)的熱流，前者可有熱功轉(zhuǎn)換，后者則無熱功轉(zhuǎn)換。而且，二者對 頻率有不同的依存關(guān)系，因而，可以通過頻率匹配來提高回?zé)崞鞯男?。從而?出一個重要結(jié)論：回?zé)崞鞯闹饕獡p失并非傳熱有限，而是頻率和填料的結(jié)構(gòu)不合 理。 1 9 8 8 年，美國l o sa l a m o s 的g w s 謝f i l 2 0 】教授發(fā)表了“t h e r m o a c o u s t i ce n g i n e ” 一文。標(biāo)志著r o t t 以后現(xiàn)代熱聲學(xué)研究進(jìn)入一個新的階段。該文是其實驗小組在 熱聲熱機(jī)方面多年研究的總結(jié)。他根據(jù)r o t t 的理論基礎(chǔ)上推出板疊通道中實際流 6 華中理工大學(xué)博士學(xué)位論文 體的壓力方程以及熱流和功流的表達(dá)式。并得出一個重要結(jié)論：回?zé)崞鲀?nèi)聲功的 產(chǎn)生是由于溫度波動和壓力波動不同相造成的，板疊在熱聲過程中起移相的作用。 他的研究小組還從微觀尺度上對熱聲效應(yīng)進(jìn)行了定性地分析。 熱聲理論的突飛猛進(jìn)，大大促進(jìn)了熱聲學(xué)的實驗研究?，F(xiàn)代熱聲熱機(jī)最重要 的發(fā)展是美國新墨西哥大學(xué)的c a r t e r 教授和他的研究生f e l d m a n 在1 9 6 2 年對 s o n d h a u s s 管進(jìn)行的有效改進(jìn)【3 0 1 。他們在管中采用適當(dāng)結(jié)構(gòu)來提高它的效率，大大 增強(qiáng)管內(nèi)的熱聲效應(yīng)。f e l d m a n 按照c a r t e r 的思想，完成了他的博士論文，以6 0 0 w 的熱功率獲得了2 7 w 的聲功率。 在美國l o sa l a m o s 國家實驗室，w h e a t l e y 和s w i r l 首先開展了對熱聲制冷機(jī) 的研制工作。w h e a t l e y t ”1 1 ”1 研制了一臺熱聲制冷機(jī)并對它進(jìn)行了研究。認(rèn)為聲諧振 駐波和表面泵熱效應(yīng)的組合可以形成一種完全新型的“天然發(fā)動機(jī)”。氣體熱聲效 應(yīng)、固體介質(zhì)與流體介質(zhì)之間所需的時均相位差是通過自發(fā)不可逆過程實現(xiàn)的， 他同時指出要產(chǎn)生熱聲效應(yīng)必須具備三個必要條件。 ( 1 ) 有兩種或兩種以上的熱力學(xué)工質(zhì)參與循環(huán)并相互做往復(fù)運(yùn)動； ( 2 ) 用不可逆過程所造成的換熱延滯形成熱力學(xué)過程和動力學(xué)過程之間的相 位差，以實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換； ( 3 ) 在沿著相對運(yùn)動的方向上，可以利用熱力學(xué)對稱的破損來形成溫差或改 變熱流方向。 1 9 9 2 年1 月發(fā)射進(jìn)入太空“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機(jī)上攜帶了一臺空間用熱聲制冷 機(jī)m 】，標(biāo)志著熱聲熱機(jī)開始在太空領(lǐng)域進(jìn)入實用階段。如圖1 2 3 所示，這是一臺 1 4 波長的熱聲熱機(jī)，工作壓力為1 m p a ，工質(zhì)為9 7 h e 和3 a r 組成的混合氣 體。板疊的直徑和長度分別為3 8 m m 和7 9 m m ，由頂部的電動揚(yáng)聲器產(chǎn)生4 0 0 h z 的聲波，溫差為8 0 k 時，獲得3 w 的冷量，制冷系數(shù)在溫差為5 0 k 時達(dá)到了同溫 下卡諾值的1 6 ，最大溫降為8 0 k 。 在南非有一臺仿制的熱聲制冷機(jī)田1 ，如圖1 2 4 所示，它的原型用于美國的航 天飛機(jī)上，用于食品冷凍。這是一臺半波長熱聲熱機(jī)，具有兩個板疊及相應(yīng)的換 熱器，驅(qū)動器也是經(jīng)過改裝的揚(yáng)聲器。采用雙板疊的目的是增大揚(yáng)聲器的輸出功 率。為減小系統(tǒng)體積，將玻璃鋼諧振管制成u 形。其工作壓力為2 m p a ，工質(zhì)為9 4 h e 和9 6 a r 組成的混合氣體，工作頻率為3 2 0 h z ，兩臺揚(yáng)聲器產(chǎn)生的聲功為2 1 6 w ， 獲得的冷量為4 1 9 w 。 1 9 8 6 年，h o f l e r 在他的博士論文中設(shè)計并制作了一臺實驗用熱聲制冷機(jī)1 3 4 】， 如圖1 2 5 所示，這是一個1 4 波長的駐波熱聲制冷機(jī)，回?zé)崞鞯奈恢每拷曉矗?7 華中理工大學(xué)博士學(xué)位論文 圖1 - 2 3“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機(jī)上的熱聲制冷機(jī) 圖1 2 4 南非用于食品冷凍的熱聲制冷機(jī) 暑 華中理工大學(xué)博士學(xué)位論文 圖1 - 2 6 行波熱聲斯特林熱機(jī)及其效率曲線 華中理工大學(xué)博士學(xué)位論文 制冷機(jī)的下端使用了亥姆霍茲聲共振器，有效地抑制了粘性和熱損耗。板疊的 端保持在室溫。樣機(jī)工作于5 4 0 5 9 0 h z 的頻率范圍，平均壓力為1 0 個大氣壓， 平均溫度為2 5 5 k 。圖1 2 5 為該制冷機(jī)性能的實驗和計算結(jié)果。在壓比為3 的條 件下，其冷端溫度達(dá)到了一7 0 。c ，并且產(chǎn)生了數(shù)瓦的冷量。它能達(dá)到的最低溫度為 1 9 8 k ，在2 4 6 k 時，制冷量為3 w ，性能系數(shù)為同溫下卡諾循環(huán)的1 2 。這是世界 上第一臺有效的熱聲制冷機(jī)。 以上的熱聲制冷機(jī)都是聲驅(qū)動的，它只是取消的制冷環(huán)節(jié)的運(yùn)動部件，而電 聲驅(qū)動頭部分仍然是有運(yùn)動部件。熱驅(qū)動熱聲制冷機(jī)是把熱聲發(fā)動機(jī)和熱聲制冷 機(jī)結(jié)合起來，從而完全取消了運(yùn)動部件，使得系統(tǒng)的壽命可以大大延長。這對于 太空電子器件冷卻來說，是一種非常有吸引力的制冷機(jī)。1 9 9 0 年，美國的s w i f t 和r a d e b a t i g h t 2 9 1 等合作制成了世界上第一臺熱聲發(fā)動機(jī)帶動脈管制冷的實驗樣機(jī)， 在7 7 k 的低溫下可以得到5 w 的制冷量。目前唯一建成的實用化的熱驅(qū)動制冷機(jī) 是美國l o sa l a m o s 實驗室為c r y e n c o 研制的燃?xì)怛?qū)動的液化天然氣裝置【2 8 】。這可 以說是熱聲熱機(jī)工程化的一次飛躍，它在1 1 5 k 下液化燃?xì)?，設(shè)計產(chǎn)量是5 0 0 g a l l o n ，冷量約7 k w 。它已在1 9 9 7 年運(yùn)行，現(xiàn)已達(dá)到1 0 0g a l l o n 的日產(chǎn)量。這臺 裝置用燃燒輸入氣量的3 0 來液化其余7 0 的天然氣。明顯的問題是效率不夠高， 相對效率僅為5 。其主要原因是回?zé)釞C(jī)的出口聲功損失太大。因此，熱聲熱機(jī)工 程化的核心問題就是既要保持無運(yùn)動部件這個獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，又要提高其運(yùn)行的效 率。要做到這一點(diǎn)，就受到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的制約，因為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定聲場的邊界條 件，從而決定聲場的相位分布。因此聲場匹配就成為熱聲熱機(jī)工程化的必須解決 的問題。 除了駐波熱機(jī)熱機(jī)外，還有一種工作于行波聲場的熱聲熱機(jī)，對于行波熱機(jī) 美國g e o r g em a s o n 大學(xué)的c e p e r l e y 作出開創(chuàng)性的工作。他于1 9 7 9 年提出了一種 共振型行波熱機(jī)l ，其結(jié)構(gòu)見第二章?；?zé)崞鞯牧鞯罊M向尺度小于流體的熱穿透 深度，聲場的行波分量取決定作用，他認(rèn)為當(dāng)工質(zhì)以行波通過回?zé)崞鲿r將產(chǎn)生與 理想斯特林循環(huán)相同的熱力學(xué)效應(yīng)。他的實驗以揚(yáng)聲器的聲波作為回?zé)崞鞯娜肟?聲波，在回?zé)崞鲀啥酥脺夭?，以回?zé)崞鞯某鋈肟诘穆暪β时葹閷嶒灥哪繕?biāo)函數(shù)。 實驗的結(jié)果表明，這個比值按負(fù)溫差、零溫差、正溫差的趨勢增大，回?zé)崞髟谝?定的條件下是一個聲功率放大器。盡管他的實驗并未獲得凈聲功增益，但是為斯 特林熱聲熱機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展提供了一個關(guān)鍵的思路。他的理論分析表明，回?zé)崞?的阻抗大小對熱機(jī)的效率影響較大，回?zé)崞鞯淖杩乖酱?，其粘性損失越小。因此 提高行波熱機(jī)效率的關(guān)鍵是在保持行波相位的條件下，增大回?zé)崞鞯淖杩?。這只 華中理工大學(xué)博士學(xué)位論文 能通過改變系統(tǒng)的邊界條件實現(xiàn)。 在c e p e r l e y 研究的基礎(chǔ)上，s w i f t 研究小組建造了第一臺高效熱聲斯特林熱機(jī)。 1 9 9 9 年，b a e k h a u s 和s w i t t 在權(quán)威的n a t u r e 雜志上發(fā)表了題為熱聲斯特林熱機(jī)的 文章，公布了他們的研究成果。其結(jié)構(gòu)如圖1 2 - 6 ( a ) ( b ) 所示，它包括一個環(huán) 形的行波管和一個1 4 波長的諧振管，兩者的結(jié)合點(diǎn)正好是速度波節(jié)點(diǎn)。環(huán)形行波 管包括回?zé)崞?、熱交換器、感上和容c 組成。圖1 2 - 6 c 為簡化后熱機(jī)的集總參數(shù) 聲網(wǎng)絡(luò)圖，通過對此網(wǎng)絡(luò)模型的分析得出： = t c 0 2 l c 矗( 1 - 2 - 4 ) 其中，p ，。和。分別為回?zé)崞鲀啥说膲毫φ穹腕w積流率，r 為回?zé)崞骱蛽Q熱器的 阻。從式1 2 - 4 可以看出，如果感抗t o l 相比于回?zé)崞鞯淖鑢 來說足夠小，則p 。 和?；旧鲜峭嗟?，從而使系統(tǒng)滿足斯特林循環(huán)所需的行波相位。另一方面， 由于諧振管和行波管的結(jié)合點(diǎn)被設(shè)計為駐波節(jié)點(diǎn)，因此使得p ，。p p 。c a ，從 而大大減少回?zé)崞鞯恼承該p失，該系統(tǒng)阻抗設(shè)計值為p ，。i 。3 0p 。c a 。以上通 過對系統(tǒng)邊界條件的優(yōu)化設(shè)計完全滿足c e p e r l e y 行波熱機(jī)的兩個條件。 該熱機(jī)采用氮?dú)庾鳛楣ぷ鹘橘|(zhì)，工作壓力為3 0 b a r 。圖1 2 6 ( d ) 為其熱效率 曲線。在壓比為o 0 6 、輸入功率為7 1 0 w 及t h = 7 2 5 c 條件下，系統(tǒng)達(dá)到的最高熱 效率為叮= 0 3 0 ，為理論最大卡諾效率的4 2 。當(dāng)輸出功率達(dá)到最大值8 9 0 w 時， 壓比為0 1 0 ，其熱效率為0 2 2 。 行波熱聲斯特林熱機(jī)在提高效率方面取得了重大突破，在保持無運(yùn)動部件的 條件下，它的熱效率已經(jīng)達(dá)到普通內(nèi)燃機(jī)的水平。實用化的效率為熱聲熱機(jī)的工 程化掃清了一大障礙，而且它在結(jié)構(gòu)上的特殊設(shè)計方法為熱聲熱機(jī)的設(shè)計提供了 一個新的思路。 在研制各種熱聲熱機(jī)的同時，各國學(xué)者對熱聲部件的優(yōu)化及熱聲熱機(jī)中的各 種現(xiàn)象進(jìn)行了廣泛的研究。 由于r o t t 及其合作者僅對平板型流道和圓形流道進(jìn)行了研究m ，考慮到其它形 狀的流道可能會產(chǎn)生更好的效果，密西西比大學(xué)的a m o t t 3 7 等人對方形和三角形 流道進(jìn)行了研究，推導(dǎo)了適用于各種流道的普遍公式。最后得出了平行板疊流道 最優(yōu)的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，m u l l e r 和s w i f t 和k e o l i a 2 7 j 提出了一種按六邊形排列分 布的針束結(jié)構(gòu)( p i n a r r a y ) 。 w e t z e l 和h e r i n 鋤i o 】也進(jìn)行了熱聲裝置的優(yōu)化設(shè)計工作。他們從板疊邊界層近 似理論出發(fā)，根據(jù)熱力學(xué)第一定律將其歸納為1 9 個獨(dú)立的設(shè)計參數(shù)，在無量綱化 華中理工大學(xué)博士學(xué)位論文 后進(jìn)一步減少至1 0 個獨(dú)立設(shè)計參數(shù)，然后對板疊長度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。計算的結(jié)果 表明，熱聲制冷機(jī)的相對c o p 值完全可以達(dá)到普通制冷機(jī)的水平。從而為熱聲制 冷機(jī)的工程設(shè)計以及一些復(fù)雜的設(shè)計工作提供了一種快速的設(shè)計方法。m i n n e r ， m o n g e a u 和b r a u n l 4 l 】1 4 2 1 也以熱聲制冷機(jī)的性能價格為目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)用單純形法對熱 聲制冷機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。 日本的k a w a m o t o m l 等在實驗中對板疊上的溫度分布進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)實 驗測量值與線性溫度分布有較大的偏差。他們對線性模型進(jìn)行了改進(jìn)，將渦流與 聲流效應(yīng)加以考慮，改進(jìn)后的結(jié)果與實驗值的吻合程度大大提高了。 在對小振幅下的熱聲效應(yīng)有了較全面的了解后，眾多研究人員逐漸轉(zhuǎn)向了對 大振幅下的熱聲效應(yīng)的研究【”3 】【兒l ”】。美國海軍研究生院的a t c h l e y 和h o f l e 一刪等 到人于1 9 9 0 年對實驗與理論的吻合情況進(jìn)行了調(diào)查。結(jié)果表明：在小振幅的情況 下，實驗數(shù)據(jù)與理論結(jié)果吻合得很好；隨著振幅增大，實驗數(shù)據(jù)與理論結(jié)果之間 逐漸出現(xiàn)偏差。 m e r k l i 和t h o m a r l n 4 9 1 以及a k h a v a n ，k a m m 和s h a p i r o t ”l 對波動中流態(tài)從層流 向紊流的轉(zhuǎn)化進(jìn)行了研究。 國內(nèi)的熱聲研究開始于8 0 年代末，起步較晚。不論在理論方面還是在實驗方 面，與國外相比都有較大的差距。由于缺少巨大的財力支持，目前的研究尚處于 初期的探索階段，研究的機(jī)構(gòu)也比較分散，難以形成全面系統(tǒng)的研究。 中科院低溫中心的肖家華1 5 1 - 5 7 1 首先開展了熱聲理論的研究。他根據(jù)固體處壁面 與外熱源的熱接觸情況將熱聲效應(yīng)劃分為三種情況：( 1 ) 等溫?zé)崧曅?yīng)：( 2 ) 絕 熱熱聲效應(yīng)：( 3 ) 一般情況的熱聲效應(yīng)。他從簡單的物理模型出發(fā)，分別建立了 等溫?zé)崧曅?yīng)和絕熱熱聲效應(yīng)的波動方程。在此基礎(chǔ)上，指出等溫?zé)崧曅?yīng)不會 產(chǎn)生聲功，但對于低p r a n d t l 數(shù)的流體，存在一個臨界聲導(dǎo)，在高聲導(dǎo)區(qū)外熱源橫 向從流體吸取熱量，在低聲導(dǎo)區(qū)，流體向外熱源放熱，在中間聲導(dǎo)區(qū)，流體耗功 并向處熱源放熱。 在此基礎(chǔ)上，他以孔隙率為特征參數(shù)，建立了多孔介質(zhì)中聲波的縱向波動方 程： f 害一z ，蒔 1 罷一去蘆+ 島風(fēng)盟d x 萬 ( 1 2 5 ) 他將熱聲理論直接建立在回?zé)崞?華中理工大學(xué)博士學(xué)位論文 的多孔介質(zhì)上，這向?qū)嶋H的回?zé)崾綗釞C(jī)更加接近了一步。但是他的理論還只是一 個定性的框架。 此后，熱聲理論與實驗的研究在國內(nèi)各高校及研究機(jī)構(gòu)展開。 華中理工大學(xué)的郭方中和他的學(xué)生們運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)理論和系統(tǒng)動力學(xué)的方法對回 熱器作了深入細(xì)致的研究工作口“6 】【7 1 7 4 - 7 6 】，首次揭示了回?zé)崞鞯牟▌颖举|(zhì)，提出了 斯特林制冷機(jī)回?zé)崞鞯木W(wǎng)絡(luò)模型。鄧曉輝f 6 7 】( 6 8 1 在郭方中的網(wǎng)絡(luò)理論的指導(dǎo)下，討 論了熱聲轉(zhuǎn)換的本質(zhì)過程，建立了回?zé)崞鞯挠性淳W(wǎng)絡(luò)模型，但是他的模型僅限于 作定性分析。向宇和匡波【7 0 】【7 2 】1 7 3 1 將熱聲理論推廣應(yīng)用到汽液兩相流的研究中，指 導(dǎo)了欠熱沸騰兩相系統(tǒng)的研究；余文峰【 7 l 將熱聲理論應(yīng)用到快速變壓吸附系統(tǒng)的 氣固兩相流的研究中也取得了一定的成果：羅運(yùn)文m l 將熱聲理論運(yùn)用于t a p p t r 系統(tǒng)的匹配研究。此外，他們率先在國內(nèi)展開對熱聲諧振管的實驗研究，在采用 氮?dú)庾鳛楣べ|(zhì)，在4 3 0 k 的溫差下獲得頻率為1 0 6 h z 、壓比為1 5 的穩(wěn)定的壓力 波1 6 8 】。 中科院聲學(xué)研究所戴根華m 2 】和南京大學(xué)聲學(xué)所王本仁、繆國慶對熱聲制冷的 理論和機(jī)理進(jìn)行了介紹和分析。 同濟(jì)大學(xué)壽衛(wèi)東和韓鴻興等對熱聲制冷進(jìn)行了實驗探索i b 2 】，并于1 9 9 5 年研制 了一套熱聲能量轉(zhuǎn)換的能量裝置，在不穩(wěn)定的情況下獲得了近1 0 的溫差。 浙江大學(xué)制冷與低溫工程研究所也對熱聲進(jìn)行實驗研究【8 3 】【8 】，并于1 9 9 6 年 研制成一臺采用絲網(wǎng)板疊的半波長熱聲壓縮機(jī)”。他們還于1 9 9 8 年研制了一臺聲 驅(qū)動的熱聲制冷機(jī)，以氮?dú)庾鳛楣ぷ鹘橘|(zhì)，獲得1 2 的溫降。 熱聲研究從興起到現(xiàn)在經(jīng)過短短十幾年的發(fā)展，成果斐然。無論在理論方面 還是在工程應(yīng)用方面都取得了長足的進(jìn)步。小振幅理論已日趨完善，為熱聲熱機(jī) 的優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。設(shè)計和制造工藝的不斷提高，使得實驗樣機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能逐 漸改善，效率大幅度提高，有些設(shè)計已接近應(yīng)用階段。隨著熱聲熱機(jī)在許多領(lǐng)域 的應(yīng)用前景已逐漸明朗，將吸引更多的研究者對其進(jìn)行開發(fā)。但是目前熱聲熱機(jī) 的設(shè)計還遠(yuǎn)沒有達(dá)到其最佳工況，理論方面和工程研究方面都還有許多工作要做。 ( 1 ) 理論研究；由于小振幅熱聲理論已基本完善，線性化后數(shù)學(xué)模型與實驗結(jié) 果能較好地吻合，研究的重點(diǎn)已轉(zhuǎn)向大振幅下的非線性熱聲機(jī)理，如大振幅聲波 的特性、紊流傳熱機(jī)理等。研究的手段主要是以實驗為主。在線性有源網(wǎng)絡(luò)模型 的基礎(chǔ)上，對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行辨識是其中最有效的方法之一。 ( 2 ) 數(shù)值模擬：隨著熱聲技術(shù)日益走向成熟，迫切需要能適用于工程應(yīng)用的模 擬分析工具，為熱聲熱機(jī)的設(shè)計和優(yōu)化提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)。各種熱聲數(shù)值模擬方法 、 華中理工大學(xué)博士學(xué)位論文 應(yīng)用而生【1 0 1 1 4 2 l 【9 2 。叫呲”，特別是s w i f t 小組編制的一套熱聲計算程序d e l t a e ( d e s i g n i n ge n v i r o n m e n tf o rl o wa m p l i t u d et h e r m o a c o u s t i ce n g i n e s ) 9 8 1 ，包括了各 種常規(guī)的幾何結(jié)構(gòu)及邊界條件，可廣泛用于熱聲發(fā)動機(jī)、熱機(jī)制冷機(jī)及其它復(fù)雜 熱聲系統(tǒng)。它既可以用來預(yù)測系統(tǒng)的性能，也可用來設(shè)計新的系統(tǒng)。但是由于該 程序基于對微分方程組的求解，難以適應(yīng)復(fù)雜的邊界條件，也不能直觀地表達(dá)過 程的物理意義。流體網(wǎng)絡(luò)模型是分析振蕩流動的一種有力武器，它可以通過各部 件的聲網(wǎng)絡(luò)耦合得到系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型，從而使分析更加簡便。目前越來越多的學(xué) 者采用網(wǎng)絡(luò)模型對熱聲熱機(jī)進(jìn)行模擬和設(shè)計f 1 7 1 1 9 3 一，s w i f t 等【l 】1 2 1 1 州”】也多次使用集 總參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)模型來定性解釋其研究成果。但是目前的各種網(wǎng)絡(luò)模型大多用于定 性的分析。近年來，華中理工大學(xué)低溫實驗室在郭方中教授的指導(dǎo)下，在熱聲熱 機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)量化方面取得豐富的成果1 】f “l(fā) l “i i ”】 7 ”，下一步的目標(biāo) 是建立工程實用化的網(wǎng)絡(luò)模擬程序。 f 3 ) 工程應(yīng)用：由于熱聲熱機(jī)的效率已接近或達(dá)到普通熱機(jī)的水平，使得開發(fā) 商業(yè)上實用型的熱聲熱機(jī)成為可能。目前，熱聲熱機(jī)無論從結(jié)構(gòu)、材料方面還是 加工藝方面都還很不成熟，工程應(yīng)用開發(fā)還有很多問題需要解決，尤其是國內(nèi)的 熱機(jī)研究相對薄弱的情況下，加強(qiáng)實驗研究，積累工程經(jīng)驗仍是當(dāng)前的主要工作。 1 - 3 本文研究的主要內(nèi)容 本文的主要內(nèi)容分為四個部分：第一部分由第一章至第三章組成，主要討論 熱聲熱機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及其部件的微熱力學(xué)循環(huán)，并用網(wǎng)絡(luò)方法分析熱聲效應(yīng)的實 質(zhì)。第二部分由第四章組成，本章完成對熱聲系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型的量化及程序的編制； 第三部分由第五章和第六章組成，主要對熱聲發(fā)動機(jī)的基本特性進(jìn)行實驗研究， 并對回?zé)崞鱤 矩陣參數(shù)的測量及源參數(shù)的辯識進(jìn)行了研究；第四部分由第七章組 成，主要在研究熱聲發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對熱聲制冷機(jī)進(jìn)行研究。 第一章介紹本文工作的背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出亟待解決的問題； 第二章介紹熱聲熱機(jī)的結(jié)構(gòu)并對其進(jìn)行分類。詳細(xì)討論熱聲熱機(jī)部件的微熱 力循環(huán)。 第三章從流體力學(xué)基本方程出發(fā)，在線性化的前題下，推出非等溫管道內(nèi)流 體振蕩的基本傳輸方程，并用網(wǎng)絡(luò)的方法對熱聲機(jī)理進(jìn)行分析和討論。 第四章推出有源熱聲網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)并對其進(jìn)行量化，進(jìn)一步求出熱聲系統(tǒng) 總的網(wǎng)絡(luò)模型，并運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)模型對實際熱聲熱機(jī)進(jìn)行模擬分析。 1 4 華中理工大學(xué)博士學(xué)位論文 第五章介紹了作者自行設(shè)計和j 口7 - 的熱聲發(fā)動機(jī)實驗臺架及測量系統(tǒng)，并對 熱聲發(fā)動機(jī)的基本特性進(jìn)行了研究。 第六章對熱聲熱機(jī)部件的阻抗進(jìn)行測量，并對回?zé)崞髟磪?shù)進(jìn)行初步辨識。 第七章運(yùn)用熱聲發(fā)動機(jī)帶動熱聲制冷機(jī)，并對熱驅(qū)動的熱聲制冷進(jìn)行了驗證 和初步的實驗研究。 第八章為全文工作總結(jié)及今后工作展望。 華中理工大學(xué)博士學(xué)位論文 第二章熱聲熱機(jī)的結(jié)構(gòu)及其微熱力循環(huán) 2 - 1 前言 雖然熱聲效應(yīng)現(xiàn)象從發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在已有2 0 0 多年的歷史，但是對熱聲本質(zhì)的真 正理解只是近十幾年的事。熱聲理論的進(jìn)展一方面促進(jìn)大量新型熱聲熱機(jī)的誕生， 同時對工作于熱聲機(jī)理的傳統(tǒng)熱機(jī)提供理論指導(dǎo)。隨著熱